作者段跃初黄湘红

在当今世界，能源问题和环境挑战日益严峻，寻找高效、清洁的能源解决方案成为全球关注的焦点。电池技术作为能源领域的关键组成部分，对于推动交通方式向电气化迈进起着至关重要的作用。然而，传统电池技术面临着能量密度瓶颈，这严重制约了电动交通工具的发展，尤其是在对重量和续航要求极高的航空领域。不过，近期美国麻省理工学院等机构的一项研究成果，如同一束曙光，为解决这一难题带来了新的希望。

他们提出了一种具有突破潜力的新技术方案，并成功通过实验验证了一种新型电池原型装置。这种新型电池属于燃料电池，其单位重量的能量密度可达当前电动汽车所用锂离子电池的三倍以上 ，这一卓越性能无疑为交通电气化发展注入了强大动力。相关研究成果已于5月27日发表在《焦耳》杂志上，引起了科学界和工业界的广泛关注。

当前，电池储电量在给定重量下已接近物理极限，这一瓶颈问题给能源创新以及飞机、火车和轮船等交通工具的动力系统电气化转型带来了严峻挑战。以航空业为例，飞机需要在有限的载重下实现长距离飞行，对电池的能量密度要求极高。传统的锂离子电池能量密度较低，目前电动汽车使用的锂离子电池最高能量密度约为每公斤300瓦时，而现实中电动航空所需的门槛大约是每公斤1000瓦时的能量密度，两者相差甚远。即使未来锂离子电池能量密度能达到每公斤1000瓦时，也难以支撑跨洲或跨洋飞行。

此次研发的新型燃料电池则展现出了巨大的优势。它通过补充燃料实现能量再生，而不是依赖外部充电。其燃料为液态金属钠，钠是一种价格低廉且资源丰富的材料，这大大降低了燃料成本和资源获取难度。电池的一侧通向空气，空气作为氧原子的来源，无需额外携带沉重的氧化剂。两者之间由一层固体陶瓷材料构成电解质，这种电解质允许钠离子自由通过，起到了关键的离子传导作用；而面向空气的一侧设有多孔电极，有助于钠与氧气发生化学反应并释放电能，从而实现高效发电。

研究团队此次制作了两种不同版本的实验室规模系统原型，一种被称为H电池，另一个原型采用水平设计。在严格控制湿度的气流条件下测试显示，仅单个“电池堆”的能量密度就接近每公斤1700瓦时，整个系统的平均能量密度也超过每公斤1000瓦时，成功突破了电动航空的能量密度门槛。若将该系统用于飞机，可以设计成类似自助餐厅餐盘架的形式，将多个钠燃料包插入燃料电池中。燃料包内的钠金属在发电过程中参与化学反应，产生的副产品则从飞机尾部排出，类似于喷气发动机的尾气。这种独特的设计不仅提高了能量密度，还为飞机的燃料补给提供了一种相对便捷的方式，更接近现有的航空地勤流程。

从更广泛的应用领域来看，除了航空领域，这款新型燃料电池在海运、铁路运输等领域也具有广阔的应用前景。海运中的大型货轮和铁路运输中的火车，同样面临着能源供应和环保的双重压力。传统的燃油动力不仅造成大量的碳排放，而且随着能源价格的波动，运营成本也难以稳定控制。新型燃料电池的出现，为这些领域实现深度脱碳提供了可能。其高能量密度和可补充燃料的特性，能够满足大型运输工具长距离、高负载的运行需求，有望成为推动这些领域能源变革的重要力量。

在商业化应用方面，研究团队初步计划开发一种砖块大小的燃料电池模块，预计可提供约1000瓦时的电能，足以驱动一架大型农业无人机，从而验证该技术的实际可行性。研究人员希望能在明年内完成这一演示验证工作。如果在无人机等小型飞行器上率先验证成功，将为后续大规模商业化应用奠定坚实基础。从长远来看，这可能会引发一场交通电气化的革命，推动整个交通行业向更加清洁、高效的方向发展。

当然，这项技术目前仍处于实验室研究和原型验证阶段，要实现大规模商业化应用，还面临一系列有待解决的难题。例如长循环寿命问题，需要确保电池在多次充放电循环后仍能保持稳定的性能；液态钠腐蚀问题，液态钠在一定条件下可能对电池内部材料造成腐蚀，影响电池的使用寿命和安全性；电解质抗裂问题，固体陶瓷电解质在长期使用过程中可能出现裂纹，从而影响离子传导和电池性能。此外，还需要进行数千小时的稳定性验证，以确保电池在各种复杂环境下都能可靠运行。在实际应用方面，快速换料、机场地勤安全加注、加热保温、设计可封闭钠盒、标准化接口等也是需要攻克的关键技术点。

尽管面临诸多挑战，但新型燃料电池所展现出的巨大潜力依然令人期待。它是高能量密度储能技术的重大突破，为电动航空乃至整个交通电气化领域开辟了新的道路。随着科研人员的不断努力和技术的持续进步，相信在不久的将来，我们将看到搭载这种新型燃料电池的电动飞机翱翔蓝天，电动交通工具在各个领域广泛应用，为构建绿色、可持续的未来交通体系做出重要贡献。

参考文献：1] Seungju Lee, Jong Geun Seong, YoungSuk Jo, et al. Self-assembled network polymer electrolyte membranes for application in fuel cells at 250 °C[J]. Nature Energy, 2024.

[2] Tang, H., Geng, K., Wu, L., et al. Fuel Cells with an Operational Range of –20 °C to 200 °C Enabled by Phosphoric Acid-Doped Intrinsically Ultramicroporous Membranes[J]. Nat. Energy, 2022, 1–10.

[3] Wang, Y., Wang, Z., Yang, K., et al. Self-recoverable symmetric protonic ceramic fuel cell with smart reversible exsolution/dissolution electrode[J]. Adv. Funct. Mater., 2024, 2404846.

[4] 我国学者与海外合作者在燃料电池设计理论与方法方面取得新进展[EB/OL]. 国家自然科学基金委员会, 2024-12-18[2025-06-05].

来源: 科普文讯